Tài liệu Giáo trình lò luyện kim - chương 7 docx

Chơng 7
Hệ thống thoát khói, cấp gió
và thiết bị tận dụng nhiệt khói lò

7.1. Hệ thống thoát khói
7.1.1. Cấu trúc của hệ thống thoát khói
Thông thờng hệ thống thoát khói cho lò bao gồm các kênh khói, cống khói và
ống khói làm nhiệm vụ dẫn sản phẩm cháy từ lò ra ngoài trời.
Cấu trúc của hệ thống thoát khói rất đa dạng phụ thuộc cấu trúc lò và vị trí đặt hệ
thống thoát khói. Thông thờng các lò có công suất nhỏ hoặc không dùng thiết bị trao
đổi nhiệt, hoặc dùng thiết bị trao đổi nhiệt hình kim, thiết bị ống nhẵn kiểu ống thẳng,
ngời ta bố trí hệ thống khói ở ngay phía trên nóc lò. Những lò có công suất trung bình
và lớn, có thiết bị hoàn nhiệt, thiết bị trao đổi nhiệt bằng gốm thờng bố trí hệ thống
thoát khói đi chìm dới nền phân xởng. Cách bố trí hệ thống thoát khói đi chìm có u
điểm giải phóng đợc mặt bằng quanh lò, thuận tiện cho vận hành lò nhng gây khó
khăn và tốn kém trong xây dựng.
Đa số các lò luyện kim, do mục đích sử dụng nhiệt trong lò, thờng bố trí các
kênh khói dẫn khói từ buồng lò qua đáy hoặc tờng đi xuống phía dới và tập trung
vào cống khói để tới ống khói. Trên hình 7.1 trình bày cấu trúc điển hình của một hệ
thống thoát khói của lò nung liên tục.









Kênh khói thờng có tiết diện chữ nhật, làm nhiệm vụ dẫn khói từ không gian lò
tới cống khói. Miệng kênh khói có thể bố trí trên đáy lò hoặc trên tờng tùy theo yêu

cầu công nghệ. Khi bố trí miệng kênh khói trên đáy, khoảng cách giữa cách kênh
2
3
4
6
A
A
5
1
A -A
Hình 7.1 Sơ đồ hệ thống thoát khói lò nung liên tục
1) Không gian lò 2) Kênh khói 3) Cống khói
4)Thiết bị trao đổi nhiệt 5) Van 6) ống khói
- 131 -
không đợc nhỏ hơn một viên gạch để đảm bảo độ bền của thể xây, đồng thời kích
thớc tiết diện cần chọn sao cho không để vật nung rơi xuống kênh. Khi bố trí kênh
trên tờng lò thì chiều dày tờng lò (không kể chiều rộng kênh) phải lớn hơn 460 mm.
Cống khói thờng có tiết diện chữ nhật đứng, đỉnh cuốn vòm, đặt ngầm dới đất,
khoảng cách tối thiểu từ đỉnh cống khói tới mặt nền 300mm. Những nơi có nớc
ngầm cống khói đợc đặt trong lớp bê tông chống thấm, khi đó cần cách nhiệt tốt để
không làm cho bê tông bị phá hủy. Trên đờng dẫn khói lò có thể đặt thiết bị trao đổi
nhiệt (thờng là ở phần cống khói) và đặt van điều chỉnh lợng khói lò đi ra ống khói.
ống khói là bộ phận tạo sức hút để đa sản phẩm cháy từ buồng lò thải ra môi
trờng. Tùy theo công suất lò và nhiệt độ khí thải có thể sử dụng ống khói xây gạch,
ống khói kim loại hoặc ống khói bằng bê tông chịu nhiệt.
Khi thiết kế hệ thống thoát khói cần lu ý các nguyên tắc sau:
- Bố trí các kênh khói sao cho khói lò từ buồng lò vào các kênh đều nhau để
không có góc chết.
- Đờng dẫn khói càng ngắn, càng thẳng càng tốt, hạn chế các góc ngoặt, gấp
khúc, các ví trí đột mở, đột thu đột ngột làm tăng trở lực trên đờng dẫn, đồng thời

đảm bảo thuận tiện cho việc xây thể xây.
- Những nơi có nhiều lò đặt gần nhau nên bố trí hệ thống thoát khói có chung
một ống khói để giảm chi phí xây dựng.
7.1.2. Tính hệ thống thoát khói
a) Tính lợng khí lò đi vào kênh
Lợng khí lò khi bắt đầu vào kênh khói:




=
.VBVV
0nA
[m
3
/h] (7.1)
Trong dó:
B - lợng tiêu hao nhiên liệu [m
3
/h] hoặc [kg/h].
V
n
- lợng sản phẩm cháy khi đốt cháy một đơn vị nhiên liệu [m
3
/kg] hoặc
[m
3
/m
3
].

- tổng lợng khí lò mất qua cửa thao tác và cửa quan sát [m

.V
0
3
/h].
Đối với cửa đứng






ữ> 43
B
H
:
- 132 -
t1
V
V
t
0
+
=
(7.2)

()
kkkt

gH2BH
3
2
V à=

Đối với cửa nằm






ữ> 43
H
B
:

t1
V
V
'
t
0
+
=
(7.3)

()
kkk
'

t
gH2BHV à=
là hệ số thời gian mở cửa:

f
G3600
mP
=
(7.4)
Với m là thời gian ra một phôi [s], P năng suất lò [kg/h], G
f
khối lợng một
phôi[kg].
b) Tính tiết diện kênh khói
Diện tích tiết diện kênh khói xác định theo công thức sau:

N.W.3600
V
F
k
A
k
= [m
2
] (7.5)
Trong đó:
W
k
- tốc độ khí lò đi trong kênh , chọn trong khoảng 1 - 2 m/s.
N - số kênh.

Kênh khói có tiết diện chữ nhật nên ta có:

b.aF
k
=
Biết F
k
ta xác định đợc các kích thớc a và b.
c) Tính diện tích tiết diện cống khói
C
A
C
W.3600
V
F =
[m
2
] (7.6)
Trong đó: W
c
- tốc độ khí lò đi trong cống, chọn trong khoảng 1,5 - 3 m/s.
Dựa vào tiết diện F
c
tra bảng chọn cống khói có tiết diện F F
c
.
7.1.3. Tính trở lực trên đờng dẫn khói
Tổng tổn thất áp suất ở hệ thống thoát khói xác định theo công thức:
- 133 -

+=
hhcbmstt
hhhh (7.7)
Trong đó:
h
ms
- tổng tổn thất do ma sát trên đờng dẫn.
h
cb
- tổng tổn thất cục bộ trên dờng dẫn.
h
hh
- tổng tổn thất hình học trên đờng dẫn.
a) Tính tổn thất ma sát
Tổn thất ma sát trên đờng dẫn xác định theo công thức:

0
i,k
i
i
n
1i
2
k0k0
ims
T
T

D
L
.
2
W
.h

=

à=


(
i,kk0
i
i
n
1i
2
k0
ims
t1.
D
L
.
2
W
.h +à=

=

)
(7.8)
Trong đó:
à
i
- hệ số ma sát trên đoạn thứ i.

0k
, W
0k
- khối lợng riêng và tốc độ khí lò ở điều kiện tiêu chuẩn [kg/m
3
] và
[m/s].
L
i
, D
i
- chiều dài và đờng kính thủy lực của đoạn khảo sát.

i
i
i
C
F4
D =

Với F
i
[m

2
] và C
i
[m] là diện tích tiết diện và chu vi của dòng chảy tại đoạn khảo
sát.
T
0
- nhiệt độ ở điều kiện tiêu chuẩn
o
K.

ki
T
-
nhiệt độ trung bình trên đoạn thứ i:

2
TT
T
ki)1i(k
ki
+
=


Với

ii)1i(kki
l.TTT =

- độ giảm nhiệt độ trên một đơn vị chiều dài đờng dẫn[
i
T
o
K/m].
b) Tính tổn thất cục bộ
Tổn thất áp suất do trở lực cục bộ xác định theo công thức:


=

=
n
1i
0
i,k
2
k0k0
icb
T
T
.
2
W
.h

- 134 -

(

=
+=
n
1i
i,kk0
2
k0
icb
t1.
2
W
.h
)
(7.9)
Trong đó:

i
- hệ số trở lực cục bộ tại mặt cắt i.
T
k,i
- nhiệt độ tại mặt cắt i.
c) Tính tổn thất hình học
Tổn thất hình học xuất hiện khi khí lò nhẹ hơn không khí bao quanh chuyển
động từ trên xuống dới hoặc khi khí lò nặng hơn chuyển động từ dới lên trên. Công
thức xác định tổn thất do trở lực hình học khi khí lò nhẹ hơn không khí bao quanh
chuyển động từ trên xuống dới:


=

=
n
1i
i,k
0
ok
i,kk
0
okkihh
T
T
T
T
gHh


(7.10)
(

=
=
n

1i
i,ki,kkihh
gHh
)
Trong đó:
H
i
- độ cao của đoạn kênh khảo sát [m].

- khối lợng riêng không khí và khí lò ở điều kiện tiêu chuẩn [kg/m
,kk0

k0

3
].

i,kk
T ,
i,k
T - nhiệt độ trung bình của không khí và khí lò trên đoạn khảo sát [
o
K].
Trong trờng hợp ngợc lại, khí lò nhẹ đi lên hoặc khí lò nặng đi xuống, cột áp
hình học giảm tổn thất áp trên đờng dẫn (h
hh
mang dấu âm).
7.1.4. Tính ống khói
Thiết kế ống khói nhằm mục đích xác định chiều cao ống khói và các thông số cơ
bản của ống khói sao cho đảm bảo lực hút của ống khói lớn hơn trở lực trên đờng dẫn

của hệ thống thoát khói. Sử dụng phơng trình Becnuly ta nhận đợc quan hệ giữa áp
suất âm ở chân ống khói với chiều cao của nó, nhiệt độ sản phẩm cháy và các tổn thất
năng lợng khi sản phẩm cháy chuyển động trong ống khói:
(
)
]m/N[
T
T
.
2
W
d
H
.
T
T
.
2
W
T
T
.
2
WW
.
T
T
T
T
Hgp

2
0
2,k
2
k0
tb0
k
2
k0
0
k
2
1,k0
2
2,k0
k0
k
0
k0
kk
0
kk0
2,k0
k0
à

=
(7.11)
Trong đó:
- 135 -

p
- áp suất âm cần tạo ra ở chân ống khói [N/m
2
]:

(7.12)

=
tt
h.kp
Với k = 1,2 - 1,3 là hệ số kể đến sự tăng trở lực khi kênh dẫn bị bám bụi và khả
năng cờng hóa quá trình.

tt
h - tổng tổn thất trên đờng dẫn đến chân ống khói [N/m
2
].
Từ phơng trình (7.11) và (7.12), nhận đợc công thức xác định chiều cao ống
khói:

()
tb0
k
2
k0
k
0
k0
kk
0
kk0
0
2,k
2
k0
0
k
2
1,k0
2
2,k0
k0tt
d
1
.
T
T
.
2
W

T
T
T
T
g
T
T
.
2
W
T
T
.
2
WW
.h.k
H
k0
2,k0
à+









+

+
=

[m] (7.13)
Trong đó:

, : khối lợng riêng khói lò và không khí ở điều kiện tiêu chuẩn [kg/m
k0

kk0

3
].

, , là tốc độ khói lò tại chân, đỉnh ống khói ở điều kiện tiêu chuẩn
[m/s].
1,k0
W
2,k0
W
k0
W là tốc độ trung bình của khói lò trong ống khói ở điều kiện tiêu chuẩn:

2
WW
W
2,k01,k0
k0
+

=

420

P (m)
- nhiệt độ không khí xung quanh [
kk
T
o
K].

2
TT
T
2,k1,k
k
+
=
- nhiệt độ trun
g
bình của khói
lò trong ống khói [
o
K].

, T - nhiệt độ khói lò ở chân và đỉnh ốn
1,k
T
2,k
g

khói [
o
K].
à - hệ số ma sát trong ống khói.

- đờng kính trong trung bình của ống khói:
tb
d

2
dd
d
21
tb
+
=

Với d
1
, d
2
đờn
g
kính tron
g
ở chân và đỉnh ốn
g
khói [m].
100
150

200
250
t
k
= 450
o
C
350
380

340

300

260

220
180

140

100

60
20

20 60 60 80 H (m)

Hình 7.2 Biểu đồ
chọn chiều cao sơ bộ của

ống khói



- 136 -
Các thông số trong công thức (7.13) đợc xác nh sau:
Nhiệt độ khí lò tại miệng ống khói:
sb1,k2,k
H.tTT
=

k
T - nhiệt độ trung bình của khói lò trong ống khói [
o
K].
Với
t
là độ giảm nhiệt độ trung bình của khói lò ứng với 1 m chiều cao ống khói
[
o
C/m], là chiều cao ống khói sơ bộ, chọn theo giản đồ hình 7.2.
sb
H
Đờng kính ra của miệng ống khói:

2,k0
k
2
w.
V4

d

=
[m] (7.14)

Đối với ốngkhói xây bằng gạch thì d
2
800mm.
Đờng kính chân ống khói bằng gạch và bê tông chọn:


21
d5,1d =
Tốc độ khí lò tại miệng ống khói
chọn 3 - 4 m/s.
2,k0
W
Chiều cao ống khói H tính đợc từ công thức 7.13 nằm trong khoảng
%
thì không phải tính lại. Trờng hợp H < 16 m, lấy H = 16 m để đảm bảo điều kiện vệ
sinh môi trờng.
10H
sb

7.2. Hệ thống cấp gió và khí đốt
7.2.1. Cấu trúc hệ thống cấp gió
Hệ thống cấp gió gồm thiết bị cấp gió (quạt gió) và các ống dẫn gió làm nhiệm vụ
dẫn không khi từ thiết bị cấp gió đến thiết bị đốt nhiên liệu. Trong trờng hợp dùng gió
nóng, có thêm đờng dẫn không khí đi qua thiết bị trao đổi nhiệt trớc khi đến thiết bị
đốt. Trên hình 7.3 trình bày cấu trúc của hệ thống cấp gió của một lò nung liên tục sử

dụng gió nóng.
Các ống dẫn gió đợc làm bằng thép ống hàn, chiều dày thành ống từ 3 - 6 mm.
Nếu ống dẫn gió nóng mà nhiệt độ t
kk
< 500
o
C bên ngoài có bọc cách nhiệt, còn khi t
kk

> 500
o
C thì ngoài lớp bọc cách nhiệt, bên trong ống còn phải lót gạch chịu lửa mác
thấp.
Đối với các lò dùng nhiên liệu khí, ngoài các ống dẫn gió còn có hệ thống ống
dẫn khí đốt. Các ống dẫn khí đốt cũng chế tạo bằng các ống thép hàn, chiều dày thành
- 137 -
ống từ 5 - 8 mm, bên ngoài bọc cách nhiệt nếu t
k
<500
o
C và lót gạch bên trong và bọc
cách nhiệt bên ngoài nếu t
k
> 500
o
C.

Khi thiết kế hệ thống cấp gió cần lu ý:
1
2
3
4
5
5
Hình 7.3 Sơ đồ cấp gió cho lò nung liên tục
1) Quạt gió 2) ống dẫn gió lạnh 3) ống dẫn gió nóng
4) ống dẫn gió pha loãng khói lò 5)Thiết bị đốt
- Bố trí đờng dẫn khí sao cho chiều dài đờng dẫn càng ngắn càng tốt, hạn chế
gấp khúc và các trở lực cục bố khác làm tăng tổn thất áp suất trên đờng dẫn, đồng thời
không gây trở ngại cho việc đi lại và thao tác xung quanh lò.
- Khi trong phân xởng có nhiều lò gần nhau thì có thể thiết kế một hệ thống
cấp gió chung cho các lò.
- Tính toán trở lực trên đờng dẫn để chọn quạt gió cần tính cho nhánh có tổn
thất lớn nhất.
7.2.2. Tính kích thớc đờng ống dẫn gió và khí đốt
- Diện tích tiết diện ống dẫn gió:

i,kk
i,kk
i,kk
W.3600

V
F =
(m
2
) (7.15)
Trong đó:
i,kk
V - lu lợng gió qua tiết diện đoạn ống khảo sát [m
3
/h].
i,kk
W - tốc độ gió qua tiết diện đoạn ống khảo sát [m/s], chọn theo bảng 7.1.
- Đờng kính ống dẫn:


=
i,kk
i,kk
F.4
d
(m) (7.16)

- 138 -
Bảng 7.1 Tốc độ gió và khí đốt trong ống dẫn
Dịch thể W [m/s]
Không khí lạnh 8 - 12
Không khí nóng 4 - 6
Khí đốt lạnh, áp suất thấp:
- ống thẳng
- ống có hình phức tạp

12
6
Khí đốt nóng, áp suất thấp: 4 - 6

7.2.3. Tính tổn thất áp suất trên đờng dẫn gió
Tổng tổn thất trên đờng dẫn gió xác định theo công thức tơng tự trong phần
thiết kế hệ thống thoát khói nhng lu ý các thông số thiết kế (nh độ giảm nhiệt độ,
hệ số trở lực ) đợc chọn theo không khí hoặc khí đốt.
Tổng tổn thất:



+=
hhcbmstt
hhhh (7.17)
Tổn thất ma sát:

(
i,kkkk0
i
i
n
1i
2
kk0
ims
t1.
D
L

.
2
W
.h +à=

=
)
(7.18)
Tổn thất cục bộ:

(

=
+=
n
1i
i,kkkk0
2
kk0
icb
t1.
2
W
.h
)
(7.19)
Đối với lò dùng nhiên liệu rắn, trở lực trên đờng dẫn gió phải kể đến trở lực qua
ghi lò h
g
.

7.3. Thiết bị tận dụng nhiệt khói lò
7.3.1. Phân loại
Để tận dụng nhiệt khói thải, trong các lò luyện kim thờng sử sụng các thiết bị
thu hồi nhiệt để nung nóng không khí hoặc khí đốt.
Theo nguyên tắc làm việc ngời ta chia các thiết bị thu hồi nhiệt thành hai loại:
- Thiết bị trao đổi nhiệt: hoạt động liên tục, chế độ nhiệt độ ổn định, không khí
và khói cùng đi qua thiết bị.
- 139 -
- Thiết bị hoàn nhiệt: hoạt động theo chu kỳ, chế độ nhiệt độ không ổn định,
không khí và khói lò đi qua thiết bị trong những khoảng thời gian khác nhau.
Dới đây chủ yếu khảo sát thiết bị trao đổi nhiệt.
7.3.2. Thiết bị trao đổi nhiệt
Thiết bị trao đổi nhiệt có hai loại: thiết bị trao đổi nhiệt kiểu gốm chế tạo bằng
vật liệu phi kim (samôt hoặc cac bô run) và thiết bị trao đổi nhiệt kim loại đợc chế tạo
bằng kim loại (gang xám, thép các bon thấp, thép hợp kim chịu nhiệt ). Phổ biến là
thiết bị trao đổi nhiệt kim loại.
Theo cấu tạo thiết bị trao đổi nhiệt kim loại đợc chia ra làm hai loại: loại ống
kim loại nhẵn và loại ống có gai.
Loại ống nhẵn đợc chế tạo từ các ống thép nhẵn có đờng kính trong d = 15 -
100 mm, chiều dày thành ống từ 3 - 5 mm. Các ống đợc bố trí thành chùm ống theo
kiểu bàn cờ hoặc so le, không khí đi trong ống còn khói lò đi ngoài ống. Nhiệt độ khói
lò thờng không đợc vợt quá 500
o
C.
Loại này có kết cấu đơn giản, dễ chế tạo và lắp đặt, hệ số truyền nhiệt vào khoảng
15 - 25 Kcal/m
2
.h.độ.

Loại ống mặt có gai đợc chế tạo từ gang chịu nhiệt chứa 1,5 - 30 %Cr, có gai hai
mặt hoặc có gai mặt trong, mặt ngoài nhẵn. Do bề mặt có gai, nên loại này có hệ số
KK lạnh
KK lạnh
KK nón
g

KK nón
g

b)
a)
Hình 7.2 Sơ đồ cấu tạo thiết bị trao đổi nhiệt kim loại
a) ống trơn b) ống có gai
- 140 -
truyền nhiệt lớn, khoảng 80 - 100 Kcal/m
2
.h.độ, nhng kết cấu phức tạp, khó lắp đặt và

lợng không khí rò lớn.
7.3.3. Tính toán thiết bị trao đổi nhiệt
Mục đích tính toán thiết bị trao đổi nhiệt là xác định bề mặt trao đổi nhiệt cần
thiết của thiết bị.
Khi chế độ nhiệt ổn định, lợng nhiệt truyền từ khói lò qua thành của thiết bị đến
không khí xác định theo công thức sau:

[Kcal/h] hoặc [W] F.t.KQ
tb
=

tb
t.K
Q
F

=
[m
2
] (7.20)
Lợng nhiệt Q cần truyền từ khói lò đến không khí:

(
)
(
)
== .t.Ct.CVt.Ct.CVQ
d
k
d

k
c
k
c
kk
d
kk
d
kk
c
kk
c
kkkk
(7.21)
Trong đó:
V
kk
- lợng không khí cần nung nóng [m
3
/h].
V
k
- lợng khói lò đi qua thiết bị [m
3
/h].

- hệ số sử dụng nhiệt của thiết bị 0,85 - 0,90.

, và , là nhiệt dung riêng của không khí và khi lò trớc khi vào và
sau khi ra khỏi thiết bị.

d
kk
C
c
kk
C
d
k
C
c
k
C
d
kk
t , và , là nhiệt độ của không khí và khí lò trớc khi vào và sau khi ra
khỏi thiết bị.
c
kk
t
d
k
t
c
k
t
K - hệ số truyền nhiệt từ khói đến không khí:
Khi tờng phẳng:
kkk
1S1
1

K

+

+

=
(7.22)
Khi tờng hình trụ:
2kk1
2
1k
r.
1
r
r
.
1
r.
1
1
K

+

+

=
(7.22)
- 141 -

Hiệu số nhiệt độ trung bình
tb
t

xác định phụ thuộc nhiệt độ đầu và cuối, hớng
chuyển động của khói và không khí. Trên hình 7.3 trình bày một số trờng hợp thông
dụng và biểu đồ nhiệt độ sử dụng để tính
tb
t

.

















Hiệu số nhiệt độ trung bình trong thiết bị xác định theo nhiệt độ trung bình
logarit:

c
d
cd
tb
t
t
lg.3,2
tt
t



=
(6.23)
Trong đó:

- hiệu số nhiệt độ tại đầu khói vào:
d
t
Thuận dòng:

d
kk
d
kd
ttt =
Nghịch dòng:

c

kk
d
kd
ttt =

- hiệu số nhiệt độ tại đầu khói ra:
c
t
Thuận dòng:

c
kk
c
kc
ttt =
KK
K
KK
K
KK
Giao nhau N
g
ợc dòn
g
Thuận dòn
g
K
KK
KK
K

K
Chính
g
iao thuận dòn
g
Chính
g
iao n
g
ợc dòn
g

t
k
t
kk
t
o
C
L (m)
t
k
t
kk
d
k
t
d
kk
t

kk
t
d
k
t
kk
t
c
kk
t
d
c
k
t
c
k
t
c
t
o
C
L (m)
Thuận dòng Ngợc dòng
Hình 7.3 Phân loại chu
y
ển độn
g
khói lò và khôn
g
kh

í

- 142 -
Nghịch dòng:

d
kk
c
kc
ttt =
Sau khi tính đợc F
k
, tra bảng chọn loại ống trao đổi nhiệt, số lợng ống và bố trí
số lợng ống trong một hàng và số hàng cần thiết để đảm bảo bề mặt trao đổi nhiệt của
thiết bị lớn hơn hoặc bằng giá trị tính đợc.

- 143 -


Tài liệu tham khảo
1. Phạm Văn Trí, Dơng Đức Hồng, Nguyễn Công Cẩn: Lò công nghiệp . Đại học
Bách khoa Hà nội - 1996.
2. Bộ môn Luyện kim: Nguyên lý lò luyện kim. Đại học Bách khoa Hà nội - 1968.
3. E.I. Kazanxev: Prômslenni petchi. NXB Metalurghi , Moskva - 1975.
4. H.E. Xentruk, H. Dzmakin: Teplôvi ratriôt plachennx petchêi dlia nagrepva i
teplôôbrabôtki metala. NXB Minxk -1974.

- 144 -



- 145 -